Percorso formativo di BIOLOGIA. I Biennio (Lo studio scientifico della vita Dal macroscopico al microscopico)

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1 Percorso formativo di BIOLOGIA I Biennio (Lo studio scientifico della vita Dal macroscopico al microscopico) Principi di classificazione e filogenesi degli organismi viventi e basi dell evoluzione Le principali teorie evolutive; la selezione naturale Diversità e livelli di organizzazione dei viventi. Virus Batteri Protisti Piante Funghi Animali. L evoluzione della diversità vegetale ed animale. Biodiversità ed Ecologia Origine della vita ed evoluzione. Ecosistemi: componenti abiotiche e biotiche, rapporti fra i viventi Le molecole della Vita (Cenni) Livelli di organizzazione biologica: dalle molecole alla biosfera. Le basi chimiche della vita: atomi, molecole, legami chimici. L acqua e le sue proprietà. Proprietà del carbonio e diversità molecolare della vita. Generalità sulle molecole biologiche: amminoacidi, acidi nucleici, lipidi, carboidrati, proteine. La cellula come base della vita: struttura e funzioni L esplorazione microscopica Caratteristiche comuni e differenze fondamentali di cellule procariotiche ed eucariotiche. Strutture cellulari e loro principali funzioni: membrane cellulari, parete cellulare, citoplasma, ribosomi, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, mitocondri, cloroplasti, lisosomi, vacuoli, nucleo, cromosomi, citoscheletro. La divisione delle cellule: mitosi e meiosi. Cellule, tessuti ed organi vegetali; struttura e funzione della foglia, della radice e del fusto. Acrescimento delle piante. Assorbimento e trasporto delle sostanze nutritive. 1

2 II Biennio Geni e genetica mendeliana DNA e geni. Basi cellulari della riproduzione ed ereditarietà. Genetica mendeliana e sue estensioni. Le basi cromosomiche dell ereditarietà. Biologia molecolare del gene: il codice genetico, sintesi proteica DNA e geni: il codice genetico. Trascrizione e traduzione. Sintesi proteica. Controllo dell espressione genica. Basi di anatomia e fisiologia animale e vegetale Tessuti, apparati e sistemi organici negli animali e nell uomo. I sistemi scheletrico e muscolare Il sistema cardiovascolare. Il sistema respiratorio. Il sistema digerente. Il sistema escretore. I sistemi linfatico e immunitario. Il sistema nervoso periferico e centrale. Il sistema endocrino. Ormoni vegetali, tropismi, risposte di difesa e ritmi biologici. Il sistema riproduttore. Riproduzione ed ereditarietà La riproduzione negli animali. gameti, fecondazione, sviluppo embrionale. La riproduzione nei vegetali; struttura del fiore e impollinazione; frutti e semi 2

3 V Anno Metabolismo energetico metabolismo autotrofo ed eterotrofo. Flusso di energia e significato biologico della fotosintesi. glicolisi, respirazione aerobica e fermentazione. Fotosintesi: fase luminosa e reazioni del carbonio. Biologia molecolare del gene e tecnologie ricombinanti Genetica di virus, batteri ed elementi trasponibili. Enzimi di restrizione La tecnologia del DNA. Ingegneria genetica e biotecnologie. Percorso didattico dettagliato V anno Metabolismo Energetico Autotrofia ed eterotrofia Glicolisi Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa e sintesi di ATP Teoria chemio-osmotica Aspetti fotochimici della Fotosintesi Foto-fosforilazione Reazioni del carbonio Genetica di batteri, virus ed elementi trasponibili 1. Lo scambio di materiale genetico nei batteri -La trasformazione ovvero l acquisizione di DNA presente nell ambiente, scoperta da Griffith negli anni 20 del secolo scorso. La trasformazione naturale (prerogativa di alcune specie batteriche) e la trasformazione artificiale per rendere competenti cellule di Escherichia coli alla cattura di DNA esogeno. La coniugazione batterica ed i plasmidi. L uso dei plasmidi come vettori di informazioni da una cellula batterica all altra per clonare geni di interesse La traduzione e fagi trasducenti 2. Caratteristiche e cicli riproduttivi dei virus Virus batterici (fagi) ciclo litico e ciclo lisogeno 3

4 Virus eucariotici. Retrovirus 3. Gli elementi trasponibili negli eucarioti e nei procarioti Ruolo dei trasposoni nell evoluzione batteri LABORATORI CONSIGLIATI: Conta batterica vitale 4h Trasformazione di E. coli con DNA plasmidico 4h DNA ricombinante e biotecnologie Gli enzimi di restrizione. -La scoperta degli enzimi di restrizione in grado di riconoscere specifiche sequenze palindromiche di 6-8 nucleotidi presenti sulla molecola di DNA -La funzione degli enzimi di restrizione nella cellula batterica e loro nomenclatura -La separazione dei frammenti di restrizione tramite elettroforesi su gel di agarosio -Utilizzo degli enzimi di restrizione negli esperimenti di ingegneria genetica per clonare specifici geni Clonaggio di frammenti di DNA: produzione di molte copie di una molecola di DNA. -Uso dei plasmidi come trasportatori (vettori) di DNA estraneo da introdurre tramite trasformazione in una cellula batterica per ottenere un clone contenente numerose copie di un determinato gene -Il clonaggio e l espressione di geni che codificano per proteine di interesse medico o agroalimentare porta alla costruzione di fabbriche batteriche in grado di produrre quantitativi enormi di specifiche proteine La PCR o reazione a catena della polimerasi per la produzione in vitro di milioni di copie (amplificazione)di uno specifico frammento di DNA(2h) -Descrizione della reazione e dei componenti necessari per la reazione di l amplificazione -Esempi di applicazioni della PCR: in diversi campi della biologia e della medicina (diagnosi di malattie genetiche, diagnosi di infezione, isolamento di geni, studi sull evoluzione ) nella ricerca forense (test paternità, ricerca di traccie di un crimine etc ) LABORATORIO CONSIGLIATO Progettazione di un esperimento di PCR per uno specifico gene. Ricerca in banca dati (NCBI National Center for Biotechnology Information) della sequenza nucleotidica del frammento di DNA contenente il gene che costituirà il DNA stampo della reazione, scelta di oligonucleotidi sintetici da utilizzare come innesco della reazione di polimerizzazione del DNA ad opera della polimerasi batterica resistente alla temperatura (Taq polimerasi). Impostazione del programma per amplificazione Il sequenziamento del DNA La tappa finale di un percorso che ha attraversato tutto il ventesimo secolo e che ha aperto nuovi orizzonti alla ricerca è stato il sequenziamento del DNA e lo sviluppo di approcci genomici allo studio dei sistemi biologici Cenni sulle Tecniche di sequenziamento del DNA. Le informazioni fornite dal sequenziamento dei genomi La genomica come studio della la struttura del genoma, e delle informazioni in esso contenute, il modo in cui le sue parti interagiscono e la sua evoluzione. Il progetto Genoma umano 4

5 Gli argomenti affrontati saranno inseriti in un contesto culturale che consenta l analisi e la discussione relativa ai problemi connessi con l uso delle tecnologie ricombinanti (etici, economici, legislativi, sanitari etc.) Competenze acquisibili Comprendere la differenza tra autotrofia ed eterotrofia Comprendere il bilancio energetico delle reazioni metaboliche e del traporto associate alla sintesi o al consumo di ATP Comprendere il ruolo dell input energetico della luce nei processi fotochimici della fotosintesi Comprendere l importanza degli enzimi di restrizione negli esperimenti di ingegneria genetica per clonare specifici geni Comprendere l importanza dei plasmidi come vettori di DNA esogeno per la trasformazione di una cellula batterica per ottenere un clone contenente numerose copie di un determinato gene (esempio: insulina) Saper progettare patterns di appaiamento oligonucleotidi/dna nell ottica di amplificare geni o porzioni di questi Prerequisiti Durante il secondo biennio dovrebbero essere stati acquisiti i concetti di base relativi alle seguenti tematiche: Struttura e funzione del mitocondrio e cloroplasto Bilancio energetico delle reazioni biochimiche Le informazioni genetiche sono contenute nel DNA. Il fattore trasformante di Griffith, l esperimento di Avery e gli esperimenti di Hershey e Chase Composizione e struttura del DNA. Il modello della doppia elica di Watson e Crick Duplicazione semiconservativa del DNA :esperimento di Meselson-Stahl Codice genetico e sintesi delle proteine: relazione tra geni e proteine. esperimenti di Beadle e Tatum. Decifrazione del codice genetico il rapporto tra le 64 triplette possibili a partire dalle 4 basi nucleotidiche del DNA, e i 20 aminoacidi. Esperimenti di Matthaei e Niremberg La sintesi proteica Le mutazioni Controllo dell espressione genica nei procarioti e negli eucarioti 5